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AD7730 的PDF資料 下載 ,509279K

AD7730 的貨源和報(bào)價(jià) AD7730 的相關(guān)技術(shù)信息

其他型號(hào)

AD7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

周躍鋼 吳昌林 陳光前

    摘要：介紹了A/D轉(zhuǎn)換器AD7730的基本原理，其中包括A/D轉(zhuǎn)換輸出速率的設(shè)定、內(nèi)部校準(zhǔn)和系統(tǒng)校準(zhǔn)的選擇、接口電路設(shè)計(jì)等。給出了AD7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用實(shí)例。

    關(guān)鍵詞：∑-Δ A/D轉(zhuǎn)換器 AD7730 校準(zhǔn) 串行接口

AD7730是美國(guó)ADI公司推出的一款高分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，具有雙通道差分模擬輸入、24位無(wú)失碼、21位有效分辨率、±0.0018%線(xiàn)性誤差等特點(diǎn)。由于采用∑-Δ轉(zhuǎn)換技術(shù)，量化噪聲被移至A/D轉(zhuǎn)換的頻帶以外，因此AD7730特別適合用于寬動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)的低頻信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換，具有優(yōu)良的抗噪聲性能。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中使用AD7730直接與稱(chēng)重傳感器和單片機(jī)接口，并由單片機(jī)讀入A/D轉(zhuǎn)換值，進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)平均油耗計(jì)算并顯示輸出，就是其應(yīng)用之一。

1 AD7730的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1．1 ∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器原理

∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的工作原理如圖1所示，它以k倍過(guò)采樣頻率kfs(fs采樣頻率)采樣模擬輸入信號(hào)，并通過(guò)噪聲整形電路將fs/2信號(hào)帶寬內(nèi)的大部分量化噪聲移至A/D轉(zhuǎn)換頻帶之外的fs/2至kfs/2之間，電路量化噪聲降為原來(lái)的1/根號(hào)K。模擬低通濾波器只濾除kfs/2以上的噪聲，因此需通過(guò)數(shù)字濾波器和采樣抽取電路提取頻帶內(nèi)的有用信號(hào)，濾除頻帶之外的量化噪聲和無(wú)用信號(hào)，提高信噪比和有效分辨率。采樣抽取的原則應(yīng)滿(mǎn)足Nyquist采樣定律，采樣頻率應(yīng)大于信號(hào)頻率的兩倍（fs>2fa）�！�-ΔA/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波器，用戶(hù)可通過(guò)軟件編程設(shè)置，從而使A/D轉(zhuǎn)換器可在數(shù)據(jù)輸出速率、峰-峰分辨率、噪聲系數(shù)之間作出最佳的選擇。

圖1

    1．2 AD7730內(nèi)部結(jié)構(gòu)

AD7730內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示，它包含一個(gè)24位的∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器、兩組可編程的數(shù)字濾波器、十三個(gè)片內(nèi)控制寄存器、一個(gè)校正微處理器、兩路差分模擬輸入通道和雙向串行輸入輸出接口。

1．2．1 差分模擬輸入

AD7730具有兩路差分模擬輸入通道，通過(guò)寫(xiě)入方式寄存器的控制位，可設(shè)置傳感器模擬輸入量程范圍為0～+10mV、0～+20mV、0～+40mV、0～+80mV(四種單極性信號(hào))以及±10mV、±20mV、±40mV、±80mV(四種雙極性信號(hào))，并且能夠?qū)Σ煌�幅度的傳感器輸入信�?hào)實(shí)現(xiàn)量程轉(zhuǎn)換。多路轉(zhuǎn)換器MUX的輸出在加到片內(nèi)可編程增益放大器（PGA）之前，要先與片內(nèi)6位DAC的輸出求和，使輸入信號(hào)在PGA的允許量程范圍之內(nèi)（DAC輸出最大能抵消模擬輸入信號(hào)量程范圍內(nèi)達(dá)±77.5mV的失調(diào)值）。

1．2．2 串行接口

AD7730工作方式的寫(xiě)入設(shè)置和轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)讀出都是通過(guò)串行接口對(duì)片內(nèi)相應(yīng)寄存器進(jìn)行操作完成的。串行時(shí)鐘脈沖SCLK是控制A/D串行數(shù)據(jù)傳送的移位脈沖。狀態(tài)標(biāo)志RDY標(biāo)明AD7730數(shù)據(jù)寄存器的狀態(tài)。A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果、校準(zhǔn)系數(shù)、工作方式、數(shù)據(jù)輸出速率則通過(guò)DIN、DOUT兩條數(shù)據(jù)線(xiàn)進(jìn)行串行讀寫(xiě)操作來(lái)完成。圖3是AD7730的讀寫(xiě)周期時(shí)序。

    寫(xiě)入AD7730的串行數(shù)據(jù)要先寫(xiě)入輸入移位寄存器。當(dāng)時(shí)鐘邏輯引腳POL為高電平時(shí)，執(zhí)行單片機(jī)位操作寫(xiě)指令，在SCLK時(shí)鐘下降沿，將數(shù)據(jù)傳送至AD7730的DIN串行數(shù)據(jù)輸入端；在SCLK時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)鎖存到輸入移位寄存器中。當(dāng)移位寄存器規(guī)定的位數(shù)全部寫(xiě)入時(shí)，輸入移位寄存器的內(nèi)容便被傳送至指定的片內(nèi)寄存器。

圖2

    當(dāng)啟動(dòng)AD7730寄存器的讀操作時(shí)，片內(nèi)相應(yīng)寄存器的內(nèi)容傳送到輸出移位寄存器。當(dāng)時(shí)鐘邏輯引腳POL為高電平時(shí)，在SCLK時(shí)鐘下降沿，數(shù)據(jù)從輸出移位寄存器串行輸出到DOUT端口鎖存；在SCLK時(shí)鐘上升沿，執(zhí)行單片機(jī)位操作讀指令，DOUT端口的數(shù)據(jù)便經(jīng)串行移位讀入到單片機(jī)。

2 AD7730在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中的應(yīng)用

2．1 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x測(cè)量原理

測(cè)量?jī)x的稱(chēng)重傳感器輸出與油杯和杯內(nèi)燃油重量之和成正比的信號(hào)，測(cè)控軟件根據(jù)耗油時(shí)間計(jì)算油杯內(nèi)燃油重量與原有燃油重量的差值，以kg/h或g/s為測(cè)量單位顯示油耗。稱(chēng)重式測(cè)量方式只與燃油的重量直接相關(guān)，而與燃油的密度、容積無(wú)關(guān)，因此不存在由于受燃油氣泡的影響導(dǎo)致容積的變化而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。測(cè)試精度在很大程度上取決于稱(chēng)重傳感器和A/D轉(zhuǎn)換器的精度。

A/D轉(zhuǎn)換器與檢測(cè)傳感器接口，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式是設(shè)置前置放大器或接口模塊。以往應(yīng)用雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器ICL7135或逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換器AD574與稱(chēng)重傳感器接口時(shí)，采用運(yùn)算放大器OP27或儀表放大器AD620組成前置放大電路，并設(shè)置零點(diǎn)、增益、基準(zhǔn)電壓調(diào)整電位器。通過(guò)前置放大器電路與YZ108B稱(chēng)重傳感器接口，將稱(chēng)重傳感器0～10mV的信號(hào)放大到ICL7135的0～2V的接口電平信號(hào)或AD574的0～10V的接口電平信號(hào)。由于電路標(biāo)定調(diào)試需要調(diào)整電位器，所以硬件電路調(diào)試一直存在調(diào)整精度重復(fù)性差的弊端。

本文通過(guò)使用24位∑-ΔA/D轉(zhuǎn)換器AD7730與稱(chēng)重傳感器直接接口，組建發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量控裝置，如圖4所示。硬件電路取消了前置放大電路或接口模塊，電路參數(shù)可以免調(diào)試。A/D轉(zhuǎn)換器的數(shù)字濾波、輸出速率、基準(zhǔn)電壓的設(shè)置可通過(guò)軟件編程設(shè)定。AD7730內(nèi)部零點(diǎn)或系統(tǒng)零點(diǎn)及增益校準(zhǔn)的編程控制方式取代了手動(dòng)調(diào)整零點(diǎn)、增益、基準(zhǔn)電壓電位器的參數(shù)設(shè)定。

2．2 AD7730接口電路設(shè)計(jì)

在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中，AD7730與YZ108B電阻應(yīng)變片稱(chēng)重傳感器的模擬接口電路和與微處理器的數(shù)字接口電路如圖5所示。R1、R2、C1、C2組成低通濾波電路，C3為共模濾波電容，C4為傳感器屏蔽層降噪電容。通過(guò)軟件編程設(shè)置AD7730模擬信號(hào)輸入量程為0～10mV，基準(zhǔn)電壓為5V，并使其處于斬波工作方式和兩級(jí)數(shù)字濾波方式。

AD89C52的P1.0、P1.1、P1.3、P1.4分別與AD7730的SCLK、CS、DOUT、DIN接口，通過(guò)控制AD7730的串口時(shí)序，完成A/D連續(xù)轉(zhuǎn)換的讀寫(xiě)操作。P1.2與RDY連接，通過(guò)查詢(xún)方式控制AD7730。當(dāng)狀態(tài)標(biāo)志RDY為低電平時(shí)，讀取AD7730數(shù)據(jù)寄存器內(nèi)的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)或校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。當(dāng)RDY為高電平時(shí)，AD7730數(shù)據(jù)寄存器更新數(shù)據(jù)。禁止數(shù)據(jù)傳送。也可以把RDY與AD89C52的INT0或INT1連接，通過(guò)中斷方式控制AD7730，或訪(fǎng)問(wèn)狀態(tài)寄存器的RDY位以節(jié)省一位I/O口。

    2．3 印制電路板布局設(shè)計(jì)

AD7730具有24位的分辨率，在±10mV輸入量程、50Hz的輸出速率和斬波工作方式下，有效位1LSB對(duì)應(yīng)0.59nV的電壓值，噪聲系數(shù)只有40nV。由于A(yíng)D7730的分辨率極高、噪聲系數(shù)極低，必須十分注意印制電路板的元件布局、芯片模擬地和數(shù)字地的接地連接。

在印制電路板元件布局方面，模擬元件與數(shù)字元件要完全分開(kāi)，避免模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)線(xiàn)相互交叉。雙面印制板布設(shè)模擬地和數(shù)字地的鋪銅層，要分別覆圍所有模擬元件和數(shù)字元件。AD7730芯片下方不要布設(shè)任何信號(hào)線(xiàn)，并用模擬地鋪銅層覆圍。特別要注意的是，A/D轉(zhuǎn)換器和微處理器的晶振應(yīng)用數(shù)字地覆圍屏蔽，并遠(yuǎn)離模擬信號(hào)線(xiàn)，同時(shí)避免噪音對(duì)印制板其它部位元件產(chǎn)生幅射干擾影響。

印制板頂層模擬地與數(shù)字地鋪銅層要互不連接，底層模擬地與數(shù)字地鋪銅層不要在接線(xiàn)端子插座的直流地端短接，而要在A(yíng)D7730芯片的模擬地AGND和數(shù)字地DGND處一點(diǎn)短接，這樣更能有效降低接地阻抗和噪聲系數(shù)。接線(xiàn)端子直流地與印制板模擬地鋪銅層要連接，模擬輸入信號(hào)線(xiàn)線(xiàn)條更寬、采用最短路徑靠近AD7730模擬輸入接口。AD7730模擬電源和數(shù)字電源端要分別用10μF鉭電容和0.01μF陶瓷電容并聯(lián)，系統(tǒng)工作電源要采用線(xiàn)性電源。

    2．4 AD7730數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的軟件編程

對(duì)于A(yíng)D7730數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的編程，首先要不定寫(xiě)通訊寄存器，指定下一步操作是讀還是寫(xiě)以及讀寫(xiě)那一個(gè)寄存器，之后對(duì)指定寄存器進(jìn)行讀寫(xiě)操作。下面是用AD7730進(jìn)行三字節(jié)（24位）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并通過(guò)串口輸出的片內(nèi)寄存器讀寫(xiě)控制子程序：

void writereg(byteword) /*寫(xiě)AD7730片內(nèi)寄存器子程序*/

unsigned char byteword;

{unsigned char temp;

int i;

CS=0;

temp=0x80;

for(i=0;i<8;i++)

{SCLK=0; /*時(shí)鐘下降沿，數(shù)據(jù)傳送至AD7730的DIN串行數(shù)據(jù)輸入端*/

if((temp&byteword)= =0)

DIN=0;

Else DIN=1;

SCLK=1; /*時(shí)鐘上升沿，數(shù)據(jù)鎖存到AD7730輸入移位寄存器*/

temp=temp>>1;}

DIN=0;

CS=1;}

Void read(readtime) /*讀AD7730 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果子程序*/

Int readtime;

{int i,j,t;

unsigned char temp1;

t=0;

CS=0;

DIN=0;

temp1=0x00;

for(i=0;i<readtime;i++)

{while(RDY); /*A/D轉(zhuǎn)換狀態(tài)標(biāo)志判斷*/

for(j=0;j<24;j++)

{SCLK=0; /*時(shí)鐘下降沿，數(shù)據(jù)從輸出移位寄存器串行輸出到DOUT端口鎖存*/

if(DOUT= =0)

temp1=temp1<<1;

else

{temp1=temp1<<1;

temp1=temp1+0x01;}

SCLK=1; /*時(shí)鐘上升沿，DOUT端口的數(shù)據(jù)經(jīng)串行移位讀入到單片機(jī)*/

if(j==7||j==15||j==23)

{temp3[t]=temp1; /*A/D轉(zhuǎn)換值存入AT89C52單片機(jī)內(nèi)存單元*/

t=t+1;

temp1=0x00;}}}

CS=1;}

2.5 數(shù)字濾波器和A/D輸出速率的選擇

AD7730具有兩級(jí)數(shù)字濾波器，濾波方式、建立時(shí)間、數(shù)據(jù)輸出速率可通過(guò)對(duì)濾波寄存器編程進(jìn)行選擇。第一級(jí)濾波器具有斬波和非斬兩種工作方式。斬波方式能夠消除調(diào)制器產(chǎn)生的量化噪聲，對(duì)于漂移、噪聲抑制和電磁干擾抑制要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)采用斬波方式。反之，只要求達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換速率的應(yīng)用場(chǎng)合應(yīng)采用非斬波方式。

第二級(jí)濾波器具有三種工作方式：①直通方式，第一級(jí)濾波器的輸出直接作為轉(zhuǎn)換結(jié)果。②22階FIR低通濾波器方式，對(duì)第一級(jí)濾波器的輸出再進(jìn)行濾波處理。③快速階躍方式，模擬輸入有階躍變化或通道切換時(shí)，可選擇該方式提高A/D轉(zhuǎn)換響應(yīng)。

圖5

    AD7730數(shù)據(jù)輸出速率與A/D轉(zhuǎn)換有效位數(shù)、噪聲系數(shù)密碼相關(guān)，較高的數(shù)據(jù)輸出速率對(duì)應(yīng)較低的分辨率。例如±80mV輸入、斬波方式下50Hz模擬信號(hào)數(shù)據(jù)輸出速率，對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換峰-峰分辨率為18位，噪聲系數(shù)為115nV;400Hz模擬信號(hào)數(shù)據(jù)輸出速率，對(duì)應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換峰-峰分辨率為16.5位，噪聲系數(shù)為335nV，而有效分辨率等于峰-峰分辨率加2.7位。AD7730允許用戶(hù)在有效分辨率和輸出速率之間作出靈活選擇，在滿(mǎn)足測(cè)控系統(tǒng)測(cè)量精度指標(biāo)的前提下，用戶(hù)可以選擇較高的數(shù)據(jù)輸出速率。

2．6 系統(tǒng)校準(zhǔn)和內(nèi)部校準(zhǔn)方式的選擇

AD7730具有內(nèi)部零點(diǎn)校準(zhǔn)、內(nèi)部滿(mǎn)量程校準(zhǔn)、系統(tǒng)零點(diǎn)校準(zhǔn)、系統(tǒng)滿(mǎn)量程校準(zhǔn)等四種校準(zhǔn)方式。

內(nèi)部校準(zhǔn)方式只對(duì)AD7730器件本身進(jìn)行增益識(shí)別和零點(diǎn)誤差校準(zhǔn)，內(nèi)部零點(diǎn)校準(zhǔn)和內(nèi)部滿(mǎn)量程校準(zhǔn)的校準(zhǔn)電壓由芯片內(nèi)部提供。校準(zhǔn)時(shí)首先進(jìn)行內(nèi)部滿(mǎn)量程校準(zhǔn)，之后進(jìn)行內(nèi)部零點(diǎn)樣準(zhǔn)。系統(tǒng)校準(zhǔn)則方式是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)增益誤差和零點(diǎn)誤差、包括AD7730器件內(nèi)部誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，系統(tǒng)零點(diǎn)和系統(tǒng)滿(mǎn)量程校準(zhǔn)需要從外部輸入校準(zhǔn)電壓到器件模擬輸入端，并且要保證在校準(zhǔn)期間穩(wěn)定不變。系統(tǒng)校準(zhǔn)首先執(zhí)行零點(diǎn)校準(zhǔn)，之后執(zhí)行滿(mǎn)量程校準(zhǔn)。在發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x中，選擇內(nèi)部校準(zhǔn)，相對(duì)零點(diǎn)校正系統(tǒng)和增益校準(zhǔn)系數(shù)分別存入AD7730片內(nèi)失調(diào)校準(zhǔn)寄存器和增益校準(zhǔn)寄存器中，AD7730數(shù)字濾波器的輸出減去零點(diǎn)校準(zhǔn)系數(shù)的差，再乘以增益校準(zhǔn)系數(shù)作為最終的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。

3 試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架負(fù)荷特性試驗(yàn)的燃油消耗測(cè)量設(shè)定20s測(cè)量一次，平均油耗測(cè)量顯示數(shù)據(jù)為每20s更新一次。測(cè)量時(shí)間可在10s～100s之間設(shè)定更改。發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x油杯內(nèi)1kg存量燃油作為相對(duì)零點(diǎn)，燃油低于1kg時(shí)自動(dòng)充油，大于2kg時(shí)停止充油。1～2kg之間的燃油作為動(dòng)態(tài)測(cè)量區(qū)域，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的靜態(tài)標(biāo)定測(cè)量誤差保持在1.5‰FS以?xún)?nèi)，小于以往的發(fā)動(dòng)機(jī)燃油消耗測(cè)量?jī)x5‰～8‰FS的測(cè)量誤差。在同一工況下采用相應(yīng)時(shí)間間隔的測(cè)量，發(fā)動(dòng)機(jī)油耗顯示數(shù)據(jù)重復(fù)穩(wěn)定性良好。

                                                                                                                                                       來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用